中国渔业装备科技研究进展

黄一心,鲍旭腾,徐 皓

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室,上海 200092)

渔业装备是实现现代化渔业的生产工具,主要是指渔业生产过程中,实现生产效率提高、生产安全保障、生产条件构建、渔业资源养护等目标所运用的专业化装备[1]。一般可根据装备的形式分为渔业机械、渔业仪器、渔业设施和渔船,也可按生产方式分为养殖装备、捕捞装备和加工装备。

渔业装备是中国渔业现代化发展的重要支撑。新中国成立70多年来,伴随着中国渔业的快速发展,中国渔业装备从无到有,得到了长足的发展。渔业装备科技进步,在每一轮的渔业产业发展中,发挥了重要的推动作用。

“十三五”以来,围绕着现代渔业高质量发展的要求,渔业装备的科技创新取得了丰硕的成果,在关键核心技术研发与模式构建等领域,形成了一批具有自主知识产权的原创性技术,取得了很好的产业化应用与示范效应,有力地推进了现代渔业的机械化、工业化和智能化发展,养殖基础设施水平得到了明显提高,一大批渔船得到了更新和升级,深远海大型智能化养殖装备相继出现,有力地促进了中国渔业的转型升级,高质量发展[2]。

1 中国渔业装备发展概况

1.1 发展沿革

近代以来,工业革命带来技术发展,以使用蒸汽机为代表的机动渔船,极大地推动了捕捞渔业的发展。1905年中国第一次引进德国造蒸汽机拖网渔船“福海号”。1914年开始少量建造或改造机动渔船,至抗日战争前,全国已有近450艘机动渔船[3],但随后遭受战火破坏。1949年新中国成立时,整个渔业处于瘫痪状态。1953年以后开始大规模地建造机动渔船,使捕捞渔业开始复苏并发展。中国水产养殖的发展与食物保障供给有关,1959年国家提出了“养捕并举”的指导思想,水产养殖得到了较快发展。1980年代以后确定了“以养为主”的方针,发展出了产业规模世界第一的池塘养殖、筏式养殖、网箱养殖、工厂化养殖等集约化养殖方式,以及以增氧机、投饲机、工厂化车间、养殖网箱为代表的设施装备,直接推动了捕捞渔业向养殖渔业的转变。

1.2 主要贡献

新中国成立70多年来,在中国现代渔业的进程中,渔业装备水平不断提升,极大地提升了中国渔业生产的效率,有力地促进了中国渔业走上绿色、高产、优质、高效的可持续发展道路,推动着传统渔业生产方式向工业化转变。

(1)水产养殖装备从无到有,实现了稳产高产,促成了中国“以养为主”的世界渔业大国地位

池塘养殖机械尤其是增氧机械多样化发展,有效地提升了池塘生态系统的养殖容量与物质转化能力,具有极高的土地产出率和饲料转化效率,使中国以鲤科鱼类为主的池塘养殖发展成水产养殖的主要生产方式,成为世界生产效率最高的动物饲养方式。其中,叶轮式增氧机可能是世界最早的增氧机械(1972),其特有的叶轮搅水方式,实现了高效的气—液扩散界面、上下水层交换与水体扩散,兼具机械增氧和光合生态增氧功能,是池塘养殖走上集约化发展的基本保障;微孔曝气机以更高的增氧效率实施机械增氧,对池塘底质环境改善尤为有利;涌浪机以更低的能量强化了上下水层交换与扩散,生态增氧效果更佳;投饲机实现了定时定量的自动投喂;水力挖塘机、清淤机解决了池塘构筑和维护问题;池塘湿地设施为养殖尾水的循环利用与达标排放提供了技术支持。这些技术的集成应用,整体提升了池塘养殖的生产效率和生态效应。

海上筏架和网箱养殖设施的安全性、操作性和标准化水平不断提高,使近岸水域成为中国海水养殖的主要组成部分;重力式深水网箱在消化吸收国外技术的基础上在网箱框架、网衣形式、锚泊方式以及作业装备上实现了自主创新,对应中国特有的海况条件,具备更强的抗风浪能力,在较深的水域构建了海水鱼养殖产业。工厂化循环水养殖装备技术不断成熟,形成了以南美白对虾、海水鱼等养殖品种为主的新型产业群。渔业装备科技进步是中国水产养殖数十年持续增长,从解决人民吃鱼难,到成为主要蛋白质食物供给,乃至世界渔业大国地位的重要保障。

(2)捕捞装备自主创新,提升了作业效率,推进了中国捕捞渔业作业方式由传统向现代转变

钢质机动渔轮、液压起网机械、助渔导航仪器、织网机等装备是中国捕捞渔船由传统人工作业的机帆船,转型为世界渔船规模最大的捕捞大国的重要标志,在中国20世纪60—80年代的食物供给中,发挥了主要的保障作用。钢质渔船的研发,大大提高了捕捞渔业的作业效率和安全性,8154型双拖网艉滑道冷冻渔轮(1980)是捕捞装备集成创新的典型设计,成为中国近海及远洋捕捞拖网渔船的代表性船型;8201型围网渔轮(1975)作业装备采用中高压液压驱动技术,兼具拖网功能,在东海中上层渔业资源开发中发挥重要作用,是中国灯光围网作业的代表性船型。中高压液压起网机械(1975)实现了渔船用液压元器件、操控系统以及作业装备的自主创新,提高了作业效率和安全性,自主研发的悬挂式围网起网设备,成为围网作业的主力装备;拖网作业装备电液一体化控制技术服务于国家载人航天工程(2002),创制了返回舱高海况打捞设备。

助渔导航仪器成为捕捞渔民的“千里眼”“顺风耳”,半导体探鱼仪(1964)采用电子管发射、晶体管接受技术,是最早应用的声学探鱼设备,67-3型探鱼仪成为当时中国捕捞渔船主用仪器;导航仪器从无线电测向仪(1959),到具有双曲线时差定位功能、差距上千公里的罗兰接收机(1967),再到利用GPS卫星定位的渔用导航仪(1996),满足了中国渔船作业及海上航行的需要,保障了海上渔业生产。双钩型织网机的研制,改变了几千年来手工织网的状况,实现了对进口设备的替代,促成了网具编织产业,支持了渔业的规模化发展。

(3)水产品加工流通装备自主研发,促进了渔业的提质增效,提升了水产品加工的综合利用水平

水产加工装备的研制,与每一轮渔业发展的需求有关,形成了自主的产品化技术,促进了鱼糜、鱼粉、褐藻酸等相关加工产业的形成。对应20世纪60—90年代的捕捞渔获物综合加工需求,小杂鱼带鱼处理机械(1964)用于罐头加工生产;冷冻鱼糜加工机械的研制(1991),包括鱼肉采取机、鱼糜精滤机、螺杆脱水机等主要装备,解决了低值捕捞渔获物高值化加工技术;1980年代中期开展的湿法鱼粉加工设备研制,包括蒸煮、脱水、烘干和浓缩等关键设备,形成了成套化装备;片冰机(1978)、管冰机(1988)提高了渔获物保鲜水平。对应中国海带养殖产业的兴起,褐藻胶造粒机、沸腾式烘干机、螺杆式脱水机的研发,替代了进口产品(1984)。对应淡水鱼养殖保活运送的需要,活鱼运输车(1979)、活鱼运输船(1986)以及“南苗北运”运输列车(1988)成为养殖水产品流通的重要支持。

2 “十三五”以来的主要创新性成果

2.1 水产养殖设施装备

(1)池塘生态调控理论与技术体系全面构建,设施装备技术创新推进了形成一批模式化技术

相关研究全面总结了生态学理论和生态工程学基本原理在养殖池塘生态系统中的运用成效,系统阐述了池塘养殖环境的基本理论、关键技术、设施装备及其在养殖小区构建和养殖管理实践中的应用成效[4-5]。

在基础研究方面,开展了碳氮比对池塘水质的影响、水体营养富集条件下蓝藻成因、池塘沉积物氨氧化细菌等重要微生物代谢机制研究,为提高池塘生态工程的调控效率提供了理论基础[6-7]。在技术创新方面,创建了“养殖水质多因子关系模型”“水质与水色模型”“水质与气象因子关系模型”,实现了池塘水质快速量化评判[8-9],准确率达80%,并以此发现了“氮淤积”现象及临界性碳氮比参数。

在装备创制方面,研发了太阳能底质改良机、移动式增氧机、模块化复合湿地等新型设施装备,取得了良好的应用效果[10-14]。在工程化模式构建方面,基于装备技术集成,对主养鱼类实施小水体分隔与集约化管控、构建水体内循环工程化设施成为池塘生态工程化发展新趋势[15],跑道式养殖设施通过水动力学设计和系统优化,集污效果得以提升[16];集装箱养殖与池塘生态净化功能相结合,设置灵活,管控与集污更为方便;序批式池塘设施引入多批次投苗养殖方式,在不提高最大养殖密度的基础上提升了池塘生产力[17];池塘圈养模式引入工厂化养殖设施装备,保持了更高的管控度和集污效率[18];池塘多营养级工程化池塘养殖,依据生态位构建养殖对象与水生生物生存空间,最大效能地发挥物质与能量转换效率,实现单池乃至整个养殖小区的多营养级产出与营养物质的全部利用[19-20]。

对应养殖尾水治理要求,池塘生态工程化构建及循环水技术发挥了重要的支撑,形成了以生态渠道、沉淀池、曝气池和生物净化池为组合的养殖尾水治理“德清样板”[21],以及池塘尾水“三池两坝”等治理模式[22]。池塘生态工程技术与养殖技术相融合,针对各主产区主要养殖品种特有的自然条件、发展要求和生产方式,构建了一批绿色高效养殖模式核心示范点,推进了池塘养殖小区的生态工程化和标准化建设。

(2)工厂化养殖环境管控向精准化发展,智能化装备技术创新提升了养殖系统的工业化水平

相关研究更注重设施装备系统与养殖对象生长特性的融合,持续提高系统管控的精准性,以达到高效、节能的效果。

在基础研究方面,围绕工厂化养殖水体关键影响因子与鱼类生物学响应机制,开展了温度、密度、氨氮、溶氧等要素对养殖对象(中华鲟)生长调控、免疫应答影响机制研究[23-24],构建了耐受性阈值与关键参数调控模型;探明了循环水养殖环境调控机制,明确了氨氮、溶氧、养殖密度等关键因子与鱼类生长的关系,揭示了循环水养殖环境优化的调控原理 ;构建了基于物质平衡原理的碳、氮、磷收支模型,揭示了海水循环水养殖系统中重要营养元素的收支机制[25]。

在技术研发方面,基于水质参数、机器视觉、机器声学以及综合信息的智能投饲技术不断深入[26-27],鱼类摄食行为特征提取及分类算法等技术研发[28],提升了养殖系统投喂量智能决策的能力;鱼类摄食耗氧率研究更具有针对性,为工厂化高密度养殖系统管控及溶氧精准调控提供技术方法[29];基于水动力学特性的鱼池流场及结构优化技术研究,进一步提升了养殖对象生长与鱼池集污效应[30-31]。在装备创制方面,流化床生物滤器、电氧化膜生物反应器、鱼池清刷机器人以及溶氧智能调控系统等新型装备研发取得了积极的进展[32-35],将为工厂化养殖向智能化、无人化发展提供重要支持。

在系统集成方面,鱼类工厂化循环水繁育设施装备能针对鱼卵特性,有效构建亲鱼交配和产卵、孵化环境,形成了全程的管控工艺与设施设备[36],集成苗种行为智能识别、个体计数等技术,构建苗种高密度培养与大规格苗种循环水高效培育模式;鱼类工厂化循环水养殖工艺研究不断完善,设施设备更为经济、节能和全面配套,智能化管控技术不断融入,海水鱼类养殖单产达40 kg/m3[25];对虾工厂化养殖以其可控、多茬、高效的优点成为发展热点,通过高碳氮比和溶解氧控制的生物絮团养虾技术成为换水型工厂化养殖的主要方式,集约化程度更高、更为稳定,具有节水减排特点的循环水养殖虾工厂开始形成[37];基于营养物质平衡的原理,将循环水养殖系统与蔬菜设施大棚耦合而成的鱼菜复合设施种养系统,实现了营养物质的全利用,正在迅速推广[38-39]。

(3)深远海养殖装备正在向更深、更远迈进,海上工业化养殖生产平台初步成形

深远海养殖装备以重力式网箱、桁架式网箱及平台和养殖工船为主要形式,重力式网箱以15 m以深水域为设置定位,形成了基本产业;桁架式网箱及平台主要设置在20～30 m或更深水域,以浮式、半潜式、潜式、坐底式为主要形式,构建形式多样,正在向大型化机械化发展;大型养殖工船的研发,创新了船载舱养系统性技术装备,实现了产业化运营。

在基础研究方面,数值模拟与水槽实验是海上养殖设施水动力特性研究的主要方式,重力式网箱浮架结构失效及疲劳性研究,优化了针对局部崩塌现象的浮架载荷设计参数[40];三角形网箱单点/多点系泊方式与网箱水动力特性研究,表明多点系泊能在一定程度上降低浮架变形,但随着波高和流速的增加,系泊力峰值更大,幅度增加[41];分析比较了半潜式网箱在不同波浪条件及吃水状况下,最大锚绳张力、垂荡及纵摇值[42];针对半潜式养殖平台的倾斜、柔性网衣水动力响应、波频敏感性等问题,以及内部水体的流速分布机理、养殖鱼类耐流性等开展的系统性研究,构建了数值优化模型与适渔性评估模型,具有系统性价值[43];设施结构与养殖生物生长习性固流耦合的作用机制,使网箱结构计算设计模型更具使用性[44];养殖工船舱养水体流场特性以及在横摇条件下的流场特性与适渔性分析,是舱养结构优化设计的理论基础[45-47]。

在网箱设施装备研发方面,高密度聚乙烯(HDPE)重力式网箱安全设计条件以及管材径厚比、海域流速、锚绳长度与水深比、周长与系泊点数量比等关键参数趋于完善,投饲、网衣清洗、管理平台等设施装备形成配套,形成了整体的设计制造技术。桁架类网箱平台研发成为热点,“深蓝1号”潜式网箱,养殖水体50 000 m3,采用多边形柱体结构,配置水下投喂、鱼鳔补气、水下监控等装备,设置在距岸230 km、水深55 m的黄海冷水团水域,设计产能1 500 t/年,用于鲑鳟鱼养殖;“德海1号”半潜式网箱,养殖水体11 000 m3,以板架结构浮体与桁架结构网箱组合而成,单点锚泊,配置投饲机、起网机、洗网机和远程监控等装备,设置在距岸30～40 km、水深16 m的水域,设计产能200～300 t/年,用于卵形鲳鲹养殖;“澎湖号”半潜式网箱,养殖水体15 000 m3,采用桁架式结构,配置有投饲、监控等装备,具有仓储、居住和波浪能发电等功能,设置在距岸20 km、水深20 m的水域,用于与休闲垂钓相结合的养殖生产,设计产能400 t/年;“振渔1号”浮式网箱,养殖水体13 000 m3,采用桁架式浮体与可旋转晒网结构,设置于距岸1 n mile、水深18 m的水域,设计产能120 t/年;“长鲸1号”是深水坐底式养殖大网箱,采用四边形桁架钢结构,设置在距岸30 n mile、水深30 m的水域,养殖水体6万m3,设计产能1 000 t/年。

(4)滩涂与筏式养殖主要作业环节“机器替人”装备研发取得创新性进展,养殖全程机械化效应正在形成

滩涂与筏式养殖机械化装备研发的重点主要是:滩涂贝类播种与采收;海带养殖的植苗、采收与晾晒;牡蛎延绳式养殖的采收与分级、清洗等。

在滩涂贝类养殖作业机械方面,以四角蛤蜊、毛蛤播苗机械化为研发目标,研制了基于仿真软件优化设计的离心式播苗装置,播苗效率达2 800 kg/h,破碎率<3%,分布变异系数为8.98%[48-49],可以有效解决人工播苗均匀度差、劳动强度高、落苗冲击力大等问题;针对四角蛤蜊的滩涂贝类生态采捕装备,以采捕、收集和翻耕一体化作业方式实现机械化作业,作业效率为660 m2/h,平均采捕量310 kg/h,破碎率<5%,贝泥分离率>95%,效率是人工采捕10倍以上,且漏采率和稚贝回滩率都优于人工作业[49]。

在海带养殖作业机械方面,多工位海带夹苗机主要由苗绳解旋装置、旋转扩绳装置、气动夹苗装置等组成,30工位同步,夹苗量是人工夹苗的2.45倍,大幅提高了机械化、自动化程度[50];海带采收机械化系统研究,创新“弓”字形苗绳延绳式养殖方式,设计了基于折臂吊作业的苗绳绞拉动力滑车系统、回转伸缩齿爪捋切机械、滚筒导向转运装置等部件以及苗绳绠绳快速分离装置,实现了液压控制,研发了船舶平台,实现了模块化船载作业,单机作业效率是人工采收的6～7倍,轻简化率提高30%[51-54];设计了海带自然晾晒与热泵烘干联合干燥设施,主要由机械化立体晾晒大棚、热泵干燥系统及其控制系统组成,构建了海带的自动搬运以及以自然晾晒为主、热泵烘干为辅的联合作业模式,具有机械化作业、干燥过程可控、节能高效的特点,可以改变养殖海带随地晾晒、含泥沙杂质、劳动强度大的问题,提升了养殖海带作为加工原料的质量[55-56]。

在牡蛎养殖作业机械方面,针对南方广西海域养殖方式,设计了从陆上贝苗系挂、起吊转运、海上投放、牡蛎起捕、归拢处理等全程机械化系统,研究了钢结构筏架、桁架式载具、双滚筒收放系统以及专业化作业驳船,牡蛎串绳投放/采收量达2 000 根/h,替代人工,大大提高了生产效率[57-58];针对北方山东海域养殖方式,研究了升降式梗绳牵引、浮漂与苗绳分离、一体式导向旋切等关键技术,创制了牡蛎机械化采收设备,研制了采收、清洗作业一体的自航式采收平台,节省人工90%,采收效率提高6～10倍,采收率提高到99%,显著提高了牡蛎收获效率[59]。

(5)水产养殖系统数字化水平有了整体性提高,智能化装备技术取得创新性进展

基于水质关键因子实时监测、主要环节视频监视以及重要设备自动控制的养殖环境监控系统,在池塘养殖、工厂化养殖等领域形成了系统性的建设方案,构建了系统预警、水质调控、投喂决策等智能化管控模型,实现了基于集控终端和手机平台的养殖过程远程控制系统以及数据库建设,推进了一批数字化养殖园区的建设。

在养殖水质管理模型研发方面,基于主成分分析(principal component analysis,PCA)和长短时记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)的养殖池塘溶氧预测模型,具有更深层次的分析效应,模型评价指标平均绝对误差、均方根误差和平均绝对误差分别为 0.274、0.089 和 0.147,均优于传统的预测方法[60];基于物联网的浮标水质监测系统与溶氧浓度预测模型,提出了改进遗传算法 BP 神经网络的溶氧浓度预测模型,与传统遗传算法 BP 神经网络预测模型相比,平均误差显著下降[61];基于SSM(Spring+SpringMVC+MyBatis)框架的海水养殖环境监测与分析系统,针对养殖环境动态变化及可能造成的影响,增加了生产数据管理部分,以利于分析养殖环境指标与养殖生物生长之间的关系[62]。

在饲养行为感知方面,机器视觉技术在养殖水体透明度较高的环境下,运用于水产动物的表观特征测量。循环水养殖系统残饲识别,运用多函数向量机(SVM)算法和改进的决策树算法,残饲和粪便识别率分别达到99%和97%以上[63];基于改进主成分分析算法的识别方法,对室内环境的运动虾苗进行自动识别,正确率达98%[64];基于全视域模型对鱼类行为构建三维观测定标系统,其均方误差X、Y轴测量误差在1 mm以内,Z轴在5 mm以内[65];利用自动编码器逐帧分析视频序列样板,对大西洋鲑群体摄食行为进行分类分析,比单帧图像的准确率显著提高[66]。声学探测技术在水体透明度不高或养殖水体较大的环境下有所运用,以被动声学技术感知循环水养殖条件下大口黑鲈摄食活跃度,并利用光学摄像进行同步验证,可以区分背景噪声频率,获取与密度相关的摄食状态声信号特征的频率范围[67-68]。

在智能装备研发方面,针对渔业应用场景与基本作业要求的智能化作业平台设计,研发了渔用水下有缆机器人(ROV)平台,嵌入了水下摄像与机械作业模块,建立了多种机器人实体模型[69];基于AUV的海上网箱网衣检测机器人,研发了框架式 AUV 系统参数设计,构建了螺旋式巡检工作模式,优化了光学成像技术,耐流性能达到0.8 m/s[70];水下投饲机器人搭载定位器、传感器、水质检测装置和饲料投放装置,运用基于BP神经网络的智能投喂模型实施定量投喂[71];进行了智能投饲船的设计,集投饲机构、路径控制、投饲策略为一体,有效实现虾蟹类养殖池塘的精准投喂[72-73]。

2.2 水产捕捞渔船与装备

(1)捕捞机械电液一体化控制技术取得突破,远洋捕捞装备自主研发能力基本具备

捕捞装备以多工况液压控制技术为核心,大拉力绞车、自动泵吸系统为重点,自动化作业为目标,在远洋捕捞拖网和围网等主要作业方式上开展技术创新。

负载敏感控制技术在捕捞渔船作业装备控制方面有创新性应用。该技术通过电子操纵系统的协同,精确地实现液压系统的控制和需要的液压动力,相对常规的液压系统,具有更高的控制效率和功率损失,其在大功率、多回路捕捞装备上的运用,显著降低了装机功率,提升了系统的待机效率。对远洋围网渔船10台套作业装备的协同控制,显著降低起放网作业时间,减少作业人员,设备系统运行平稳、可靠[74];远洋深水拖网绞车,对应200～2 000 m深水拖网作业要求,采用分列式滚筒、双马达串/并联驱动与负载敏感控制技术,实现额定拉力与起网速度的恒张力控制[75]。

中大型拖网绞车波浪补偿技术趋于成熟。根据作业海况波浪起伏状况,研制了张力控制系统,通过调节绞车液压马达高压口溢流压力,构建了被动补偿数学模型,实现网具曳纲张力的闭环控制,达到恒张力的控制效果,保障了作业渔具的稳定性;相关技术应用于载人航天飞船返回舱打捞系统,在六级海况下通过波浪补偿实施姿态控制,通过船用吊机变幅油缸、蓄能器设计以及PID控制,以降低船舶横摇的影响,实现有效打捞,具有响应速度快、运行稳定的特点[76-79]。

在拖网作业连续式泵系统研发方面,针对南极磷虾连续式拖网作业吸虾泵作业工况,开展了离心式吸虾泵实体三维建模、流体数值模拟与参数优化研究,研制了试验样机,并构建了连续式捕捞泵吸系统试验平台,为后续的产品化设计奠定了研究基础[80-81]。

在作业装备产品化开发方面,大型金枪鱼围网捕捞、深水拖网捕捞、舷提网捕捞系统关键装备技术系统配套技术趋于成熟,形成了成套化装备,改变了完全依赖进口设备的局面。

(2)渔用仪器研发走上新征程,关键核心技术研发正在突破“卡脖子”瓶颈限制

长期处于停滞状态的助渔仪器自主研发,以数字化为起点,智能化为目标,在鱼类声学探测和渔船数字终端技术创新方面取得新进展。

以运用相控阵技术对海洋生物进行远距离、高分辨率探测的多波束声学探测技术研发为重点,开展了渔用声呐圆柱阵波束形成能力研究,分析波束幅度偏移、相位偏移及频移对圆柱阵垂直和水平方向波束形成性能,建立波束成形算法,研发包含发射控制模块、直接数字频率合成宽带波形生成模块、时延波束形成模块和调制模块的现场可编程门阵列数字发射系统,构建声呐作用距离预报模型,研制中国首台数字多波束探鱼仪原理样机,完成海上测试,部分性能达到国际先进水平,有望突破渔用数字声呐依赖国外进口的“卡脖子”技术[82-85]。

围绕物联网技术在捕捞渔船上的应用,开展了多源异构渔业信息采集技术创新,可实时获取包括船位、气象、渔具、渔获物、物资、人员、重要设备运行参数等渔船生产信息,渔船进出港航行与渔政等管理信息,以及动态采集海洋水文、海象等海洋科学信息等,研发船载终端,实现多种传感器集中接入以及系统数据的集中处理、传输等功能,完成海上性能测试,并构建了“船—船”“船—岸”“船—星”感知与数据传输技术体系[86-87]。

(3)远洋渔船船型研发取得新进展,渔船节能减排技术进步显著

捕捞渔船技术研发的重点在于远洋渔船新船型、近海渔船船型标准化以及节能减排技术的研发与应用等方面。

在远洋渔船船型研发方面,开展了320总吨双甲板拖网渔船船型参数、线型、分舱布置以及捕捞系统、液压系统等的优化研究,运用数值模拟与实船验证相结合的方法,分析验证了船体阻力特性,建立了标准化船型技术系统和设计原则,研发了导管桨设计、起放网控制、轮机系统优化、船—机—桨—网配置等关键技术,完成了船型设计,实现了标准化、批量化建造[88-89];南极磷虾捕捞加工船的自主研发,开展了双桁架系统设计,完成了船型与全船设计,即将投入运营[90-91]。

在玻璃钢渔船研发方面,开展了大型玻璃钢渔船建造技术研究,提出了模具建造形式、原材料选取、成型技术、混合式船体结构和复合夹层船体等技术要点,建立了玻璃钢渔船围壁结构的传热数学模型,对比了关键技术标准,研发了远洋金枪鱼延绳钓等玻璃钢船型,实现了标准化建造[92-95]。

在渔船节能新技术研发方面,电力推进技术与LNG燃料动力技术应用于南海作业渔船新船型研发,电力推进金枪鱼延绳钓船、电力推进围网示范渔船、LNG拖网示范渔船集成了清洁能源、高效节能捕捞装备和抗碰撞结构优化等技术,研发示范船型,并投入生产运行。

2.3 水产品加工装备

(1)水产加工机械化装备研发取得突破性进展,南极磷虾船载加工装备成为研发热点

针对大宗淡水鱼、对虾等养殖水产品加工过程依赖手工操作的问题,开展了虾类剥制与壳肉分离、鱼类清洗与低损去鳞等预处理技术研究,研制自动清洗、去鳞、去杂、剥制、分级等关键装备,突破了辊轴揉搓与挤压组合对虾柔性剥制、振动定向罗非鱼去杂除内脏、基于自适应机械剥制参数调控和鱼加工生产线数据实时管控等关键技术,研制了辊轴式虾剥壳机、对辊式自动化对虾分级机、鱼类多段滚筒去鳞机、鱼类剖切除脏机和鼓泡清洗机等关键装备,构建对虾剥制技术装备和罗非鱼加工成套装备,进行了产业化示范[96]。

围绕南极磷虾船载加工自主研发,开展了磷虾剥壳工艺方法及自动化加工装备研究,研发滚筒式往复挤压工艺、设备参数,研制多层式脱壳设备、构建设备及控制系统,在船舶横摇工况下,保持95%以上的脱壳率,成为中国首艘新建磷虾捕捞加工船“深蓝号”上唯一的国产化专用设备[97];开展了南极磷虾粉加工过程中的热处理效应、梯度蒸煮及温度精准控制技术等研究,研发了南极磷虾梯度蒸煮装备和虾粉水分在线监测系统,进行了应用验证[98]。

3 中国渔业发展趋势与装备科技需求

实施产业结构转型,推动现代渔业高质量发展,落实水产品保障供给,是中国现代渔业建设的主要任务。中国渔业生产已达到相当的规模,水产品的生产已不仅仅是为了满足人们日常生活的需要,消费升级引领水产品供给侧改革。一方面,现代社会发展进程中,水产品的保障供给正在面临越来越多样的消费型价值需求,一是品质化要求更高,从“能吃到”转变为“吃得好”;二是商品化要求更高,从“按时吃”转变为“随时吃”;三是便捷化要求更高,从“店里吃”转变为“家里吃”。即在保障供给的同时,现代渔业正在由传统农贸型产品向标准化商品转型,以满足消费者持续增长的品质要求、便捷感受和绿色化价值观要求。另一方面,水产品的保障供给正在受到愈加紧迫的资源与环境的压力,现有的生产空间受到越来越大的限制和压缩。从设施装备的视角看,现代渔业的发展趋势主要表现为:

(1)养殖生产力水平亟待提高,需要发展更为高效的设施渔业,以稳定保障供给的基本盘

在养殖水域资源有限的条件下,需要通过设施化、工厂化方式和工程化手段,稳定养殖水质,延长养殖周期,提升集约化水平,提高单位水土资源生产力。其中,池塘养殖工程化将进一步向设施化发展,通过粪便等固形物的有效分离,提升养殖容量,不断融入工厂化养殖管控要素,实现主养品种的标准化生产;养殖网箱残饲粪便收集水平进一步提高,更具工厂化管控与减排功能的封闭型浮式养殖设施逐步成为内湾海域和湖泊水库新型养殖方式,基于养殖环境承载力的水域生产力进一步提升,由此,中国鱼类养殖产量得以稳步增长,水产品基本供给得以保障。

(2)养殖新空间亟待拓展,需要创新全产业链一体化新型养殖方式,逐步成为保障供给的新补充

远离人类定居区域的深远海水域和盐碱水域是渔业新空间拓展的“蓝色粮仓”和“白色地带”,需要发展新型养殖生产方式,构建包括适养品种创制、养殖方式创新、物流加工构建和适居环境建设等在内的链式生产体系,实现经济性发展。其中,深远海养殖将与船舶海工技术深度融合,建立具有深远海自持力的生产平台,实现鱼类养殖的规模化、工业化生产;盐碱水养殖将进一步提升生态工程化与设施化、工厂化水平,发展鱼虾集约化养殖,通过养殖酸性营养物质与土壤碱性物质的中和反应,改善养殖区域盐碱生态,构建养殖绿洲,由此,养殖新空间拓展的生产方式将逐步成为中国水产品保障供给的新型生产力。

(3)绿色发展的要求会更高,需要构建生态循环型生产方式,使渔业全面走上可持续发展的正轨

在生产方式转变与产业结构调整中,渔业对生态环境的影响将从“负面”走向“正面”。水产养殖的渔农综合功能进一步加强,养殖排放由作为“污染物”的治理向作为营养物的利用转变,通过高效耦合的种养设施,可以实现养殖与种植的水肥一体化利用;通过功能复合的综合种养,可以构建以养殖小区为单元的循环农业;通过区域性的功能规划,可以建设以水系为主线的“先养后种”农业产区。此外,渔光互补、绿色低碳能源供应的研究和应用也将得到进一步发展。捕捞渔业将进一步遵循资源可持续利用的规律,实施有效管控的配额管理和定向选择的精准捕捞,捕捞对象将从资源日渐衰竭的可食性鱼类,向非直接食用的大宗海洋生物转变,如磷虾、灯笼鱼等蛋白质资源转变,在可持续利用的前提下,为养殖业提供持续的蛋白质资源。

(4)装备现代化成为重要需求,需要发展机械化、智能化生产技术,成为渔业“由大到强”的重要标志

对应渔业高效生产的发展要求,人力成本的增加、劳动力资源的短缺和从业人员的专业素养等已经成为产业发展的主要障碍,降低渔业生产成本、不断提高装备可靠性是渔业装备获得长足发展的重要条件。装备现代化是现代渔业的重要支撑,主要表现在以“机器换人”机械化和以“电脑替人脑”的智能化。主要渔业生产方式的全程机械化是产业现代化的基本要求,包括主要水产养殖方式的起捕采收、捕捞渔船的渔获物整理、水产加工的原料预处理等大量依靠人工生产的环节,亟待发展工效更高的机械化装备。现代渔业信息化建设正在从生产系统的数字化走向智能化,以改变依赖生产者经验的传统生产方式。渔业生产的机械化、智能化发展将促进现代渔业的做大做强。

(5)社会现代要素加速融入,现代渔业正在进入“工业化渔业”和“特色渔业”同步发展的新时期

中国社会的工业化进程对渔业发展的反哺与推动作用愈见显著并呈多样化态势,工业科技、金融资本、现代商贸等正在给转型中的渔业带来变革性的技术、投资与销售方式,现代渔业正在进入工业化时代。大规模的标准化生产方式将成为渔业生产的主体,担负水产品保障供给的重任,小规模的特色渔业将更好地服务于农民增收和农村建设。其发展态势主要表现为:一是充分发挥区域性资源禀赋的“主粮”化、规模化生产方式,包括形成聚焦于主要养殖品种的长江中下游与珠三角地区池塘工程化鱼类养殖、沿海池塘设施化对虾养殖、北方浅海滩涂机械化贝类养殖和南方沿海离岸化网箱养殖等养殖生产主产区,以组织化、规模化、工厂化和标准化发展,实现主要水产品种的保障供给;二是农民合作经营的小规模生产方式,发展绿色生态的家庭农场或小型养殖场,成为优质特色水产品供应的主体和新农村建设的要素;三是由大型商贸平台拉动的工业化养殖方式,发展大型陆基养殖工厂和海上养殖工船,打造品质稳定、无季节差持续供应和餐食方便的水产商品,满足新型消费需求。